F&Q 1ºBAT

TEMA 1: El desarrollo de la teoría atómico-molecular de la materia

La Química es una ciencia moderna cuyos principios empezaron a desarrollarse con fuerza a partir del S. XIX cuando entre los científicos se asentó la idea de que la materia es de naturaleza corpuscular y se fueron abandonando las creencias espiritistas y alquimistas.

Esta ciencia pretende, sobre todo, explicar la diversidad de sustancias existente y todos los procesos relacionados con las reacciones químicas (RQ).

La importancia de este estudio es evidente. Por ejemplo, existen reacciones químicas en las que se fabrican:

• Medicamentos que repercuten tanto en la salud de los ciudadanos.
• Nuevos materiales o sustancias con propiedades inimaginables y diseñados químicamente “a medida” de las necesidades
• Explosivos útiles para la construcción de carreteras, puentes y túneles, etc.
• Abonos para las plantas gracias a los cuales se mejora el rendimiento de los cultivos y se producen alimentos para tan enorme población mundial, 7,3.109 personas, aunque no todos tienen acceso por igual a ellos.
• Plásticos, que han supuesto una verdadera revolución en la construcción de los más diversos útiles, evitando la desertización de muchas zonas, aunque creando otro problema de contaminación.
• Conservantes y otros productos útiles en la industria de los alimentos.
• Fibras sintéticas para la fabricación de tejidos.
• Productos de limpieza y cosméticos.
• …

Pero, además de la mejora del nivel de vida, también se producen efectos no deseados:

• Aumento del efecto invernadero y cambio climático debido al aumento de CO2 y de otros gases (metano, ozono,…) en la atmósfera como consecuencia de las combustiones y de la actividad química.
• Lluvia ácida que ocasiona pérdidas de masa forestal debida a los óxidos de azufre y nitrógeno que se originan en la quema del carbón, los motores diésel y la industria química.
• Disminución del ozono estratosférico que disminuye el filtro de la radiación ultravioleta y ocasiona cánceres de piel, debido a gases usados en la industria frigorífica entre otras.
• Fabricación de armas químicas y drogas, que están ocasionando verdaderas tragedias humanas.
• …

Antes de comenzar con el desarrollo de la teoría atómico-molecular repasaremos sus principios fundamentales estudiados en cursos anteriores:

A.1 Una persona que no ha estudiado Química opina que: “al quemarse una madera se convierte en ceniza que es en realidad polvo de esa misma madera”. Recordando lo estudiado en cursos anteriores sobre la teoría atómico-molecular de la materia, interpretad qué ha ocurrido y proponed un modelo que explique las reacciones químicas.

A.2 En ocasiones es muy difícil reconocer si ha habido una reacción química ya que las sustancias se encuentran mezcladas, por lo que se hace necesario “conocer” las sustancias: ¿Cómo caracterizar las sustancias?, ¿cómo saber si una sustancia es pura o se encuentra mezclada?

A.3 De algunas sustancias puras es posible extraer otras sustancias puras, por ejemplo de la electrólisis del agua se obtiene hidrógeno y oxígeno y de cada uno de estos gases no es posible obtener otras sustancias puras. Utiliza la teoría atómico-molecular para explicar este hecho y dar una explicación al hecho de que se conozcan más de 100 millones de sustancias.

A.4 Para calcinar completamente 1,52 g de magnesio se necesita 1 g de oxígeno. Haciendo uso de la teoría atómico molecular, determinar:

a) ¿Cuánto óxido de magnesio se obtendrá?

b) Cuánto óxido de magnesio se obtendrá si se parte de 3,04 g de magnesio y 1 g de oxígeno?

A comienzos del S. XIX Dalton ya ofreció una explicación a los hechos planteados en las actividades anteriores. Estos principios fueron los comienzos de la teoría atómico-molecular actual:

1. La materia está formada por partículas muy pequeñas, indivisibles y no se pueden destruir átomos).
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen el mismo peso e iguales propiedades. Los átomos de diferentes elementos tienen peso diferente
3. Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas.
4. Los átomos, al combinarse para formar las moléculas de los compuestos guardan relaciones simples de números enteros y pequeños
5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos.

Pero Dalton no conocía las fórmulas químicas de las sustancias, ni las propiedades de los átomos, por lo que los químicos se han ocupado de desarrollar su teoría con los interrogantes que les han surgido. Estas cuestiones son las que organizan el índice de este tema:

1. ¿Cómo determinar las masas atómicas?
2. ¿Cómo conocer las fórmulas químicas?
3. ¿Cómo ordenar los átomos?
4. ¿Cómo determinar las cantidades de sustancia que participan en las RQ?

4.1 Los cálculos en las RQ en función de las masas de las sustancias

4.2 Los cálculos en las RQ cuando intervienen gases

4.3 Los cálculos en las RQ cuando las sustancias están en disolución

5. Recapitulación y actividades complementarias.

1. ¿Cómo determinar las masas atómicas?

El valor absoluto de la masa de los átomos es imposible de medir, pero si sabemos la fórmula química de la sustancia y las masas de los elementos químicos que reaccionan para formarla, podemos utilizar la ley de las proporciones constantes para determinar cuánto es mayor la masa de un átomo que otro, es decir, la masa atómica relativa, Ar.

A.5 En tiempos de Dalton a falta de más información se suponía que la fórmula química del agua era HO y se sabía que para formarla cada gramo de Hidrógeno reacciona con 8 g de oxígeno.

a) Determinar cuántas veces es mayor la masa del átomo de oxígeno que la del hidrógeno

b) Repetir el cálculo suponiendo la fórmula del agua conocida actualmente, H2O y que las fórmulas del hidrógeno y oxígeno son H2 y O2.

A.6 Determinar las masas atómicas relativas al hidrógeno del Cloro y Nitrógeno según los datos experimentales siguientes:

Exp.1: El cloro (Cl2) reacciona con el hidrógeno (H2) para formar cloruro de hidrógeno (HCl) en una relación de 35,5 g de cloro por cada gramo de hidrógeno.

Exp. 2: En la obtención de amoniaco (NH3) 9,34 g de nitrógeno (N2) reaccionan con 2 g de hidrógeno (H2).

Estas masas atómicas se han obtenido a partir del conocimiento de las fórmulas químicas y la hipótesis de máxima simplicidad de Dalton, es decir que los gases oxígeno, hidrógeno, …, eran considerados monoatómicos y las fórmulas químicas lo más sencillas posible HO, NH, etc. Sin embargo esta hipótesis entraba en contradicción con los datos obtenidos por Gay-Lussac con reacciones entre gases.